Nghiên cứu hiện tượng kết cặp của phonon quang dọc và plasmon trong các lớp màng mỏng bán dẫn InAlAs

Trong bài báo này chúng tôi nghiên cứu về hiện tượng kết cặp của phonon quang dọc và plasmon trong các lớp màng mỏng bán dẫn InxAl1−xAs bằng lý thuyết hàm điện môi. Chúng tôi khảo sát sự lan truyền của sóng điện từ trong các lớp bán dẫn từ đó tìm ra sự phụ thuộc của hệ số truyền qua của các lớp bán dẫn vào tần số của sóng điện từ.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu hiện tượng kết cặp của phonon quang dọc và plasmon trong các lớp màng mỏng bán dẫn InAlAsNGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG KẾT CẶP CỦA PHONONQUANG DỌC VÀ PLASMON TRONG CÁC LỚP MÀNGMỎNG BÁN DẪN InAlAsDƯƠNG ĐÌNH PHƯỚC 1,∗ , ĐINH NHƯ THẢO 2,∗∗1 Học viên Cao học, Trường Đại Sư phạm, Đại học Huế∗ Email: dinhphuoc2808@gmail.com2 Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế∗∗Email: dnthao@gmail.comTóm tắt: Trong bài báo này chúng tôi nghiên cứu về hiện tượng kếtcặp của phonon quang dọc và plasmon trong các lớp màng mỏngbán dẫn Inx Al1−x As bằng lý thuyết hàm điện môi. Chúng tôi khảosát sự lan truyền của sóng điện từ trong các lớp bán dẫn từ đótìm ra sự phụ thuộc của hệ số truyền qua của các lớp bán dẫn vàotần số của sóng điện từ. Trong phổ truyền qua chúng tôi tìm thấyhai cực tiểu của các đồ thị tại các vị trí trùng với các tần số củaphonon quang ngang của các bán dẫn InAs và AlAs. Quan trọnghơn, dưới điều kiện thí nghiệm thích hợp, chúng tôi tìm thấy mộtcực tiểu khác tại vị trí trùng với tần số của một mode kết cặpphonon quang dọc-plasmon. Cực tiểu này nằm trong vùng tần sốTeraHertz và phụ thuộc rất nhạy vào nồng độ của điện tử nhưngkhông phụ thuộc vào độ dày của lớp bán dẫn.Từ khóa: Hiện tượng kết cặp, phonon quang dọc, plasmon, TeraHertz,InAlAs, hàm điện môi.1 GIỚI THIỆUCác cấu trúc bán dẫn na-nô tiếp tục thu hút sự quan tâm nghiên cứu của các nhàkhoa học nhờ những ứng dụng quan trọng trong đời sống, y học, quân sự và nhiềulĩnh vực khác. Ngoài các tính chất điện, từ, quang, cơ học nổi bật thì vật liệu bándẫn na-nô còn là nguồn phát các dao động kết hợp như phonon và plasmon. Trongcác vật liệu đó vì vậy còn tồn tại tương tác kết cặp của phonon với plasmon khiTạp chí Khoa học và Giáo dục, Trường Đại học Sư phạm, Đại học HuếISSN 1859-1612, Số 4(48)/2018: tr. 24-33Ngày nhận bài: 26/02/2018; Hoàn thành phản biện: 30/3/2018; Ngày nhận đăng: 09/4/2018HIỆN TƯỢNG KẾT CẶP CỦA PHONON QUANG DỌC VÀ PLASMON...25có sự kích thích của sóng điện từ bên ngoài phù hợp [1], [2]. Các mode kết cặp củaphonon quang dọc và plasmon thường nằm trong vùng tần số TeraHertz và có nhiềutiềm năng ứng dụng. Tuy nhiên, việc khai thác ứng dụng các bức xạ này vẫn cònhạn chế do các vấn đề liên quan vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ.Các công trình nghiên cứu thực nghiệm về sự lan truyền của một sóng điện từ trongcác tinh thể bán dẫn đã thu được một số kết quả quan trọng. Năm 1994, Sciaccacùng các cộng sự đã tiến hành thực nghiệm chiếu bức xạ hồng ngoại lên các mẫubán dẫn AlAs và GaAs [3]. Kết quả thu được cho thấy trên phổ truyền qua có chứacác điểm cực tiểu tại các vị trí trùng với các tần số của phonon quang ngang (ωT O )và phonon quang dọc (ωLO ) của hai mẫu bán dẫn. Năm 2004, thực nghiệm chiếuxiên bức xạ hồng ngoại lên các lớp bán dẫn n-In0.53 Ga0.47 As cũng đã được thực hiệnbởi Ibánez cùng các cộng sự [4]. Nghiên cứu này chỉ ra ngoài hai cực tiểu tại các vịtrí trùng với các tần số ωT O của hai bán dẫn thành phần InAs và GaAs thì còn tồntại một cực tiểu tại vị trí trùng với tần số ωLO của bán dẫn GaAs và một cực tiểutại vị trí trùng với tần số của mode kết cặp ω+ giữa phonon quang dọc và plasmon.Gần đây năm 2015, Ishioka và cộng sự cũng đã khảo sát lý thuyết và thực nghiệmvề động lực học kết cặp siêu nhanh của phonon quang và plasmon kết hợp trong bándẫn vùng cấm xiên GaP và thu được nhiều kết quả thú vị [5].Trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu hiện tượng kết cặp phonon quang dọcplasmon trong bán dẫn Inx Al1−x As bằng lý thuyết hàm điện môi. Chúng tôi nghiêncứu sự lan truyền của một sóng hồng ngoại trong các lớp bán dẫn và khảo sát sựphụ thuộc của hệ số truyền qua của các lớp bán dẫn vào tần số của sóng điện từbằng phần mềm Mathematica. Từ đó chúng tôi xác định phổ bức xạ của các modekết cặp ω+ giữa phonon quang dọc và plasmon và đánh giá ảnh hưởng của các yếutố khác lên hành vi của các mode kết cặp này.2 LÝ THUYẾTTheo Berreman [6], khi chiếu sóng hồng ngoại lên một lớp màng mỏng bán dẫn theohướng vuông góc với bề mặt mẫu (θi = 00 , hình 1a), thì trong phổ truyền qua củamàng mỏng ta chỉ thu được một cực tiểu tại vị trí ứng tần số của phonon quangngang (TO phonon) của vật liệu. Khi sóng tới lệch một góc θi 6= 00 so với bề mặtmẫu và điện trường phân cực loại s thì ta cũng chỉ thu được một cực tiểu tại vị tríứng tần số của phonon quang ngang (hình 1b). Trong trường hợp góc tới θi 6= 00và điện trường phân cực loại p thì phổ truyền qua mới chứa hai cực tiểu tại các vị26DƯƠNG ĐÌNH PHƯỚC, ĐINH NHƯ THẢOtrí ứng với các tần số của phonon quang ngang và phonon quang dọc (LO phonon)(hình 1c).Hình 1: Mô hình sóng hồng ngoại truyền qua mẫu bán dẫn có độ dày d với các góc chiếukhác nhau tới bề mặt mẫu: a) θi = 00 ; b) θi 6= 00 , phân cực s; c) θi 6= 00 , phân cực p.Phần tiếp theo sẽ trình bày chi tiết về lý thuyết hàm điện môi phục vụ cho việc khảosát bài toán. Hằng số điện môi tần số cao của bán dẫn hợp chất ba thành phần dạngAx B1−x C được xác định bởi biểu thức [1]∞ = x∞,AC + (1 − x) ∞,BC ,(1)trong đó ∞,AC và ∞,BC là hằng số điện môi tần số cao của hai bán dẫn thành phầnAC và BC. Dưới tác dụng của sóng điện từ bên ngoài dao động với tần số góc ω,hàm điện môi của bán dẫn Ax B1−x C gây ra bởi các ion mạng tinh thể có dạng [4]222200ωLO,AC− ωT0 O,ACωLO,BC− ωT0 O,BCion (ω) = ∞ +x∞,AC 2+(1 − x) ∞,BC 2,ωT O,AC − ω 2 − iΓAC ωωT O,BC − ω 2 − iΓBC ω(2)0với Γi là hằng số tắt dần của dao động phonon trong bán dẫn i (i = AC, BC); ωT O,i0và ωLO,itương ứng là tần số TO-phonon và LO-phonon của bán dẫn thuần i; ωT O,ivà ωLO,i là các tần số TO-phonon và LO-phonon của bán dẫn i ứng với hàm lượngxi của nó trong thành phần của bán dẫn hợp chất. Đối với bán dẫn Inx Al1−x As, cácgiá trị ωT O,i và ωLO,i (i = InAs, AlAs) ở nhiệt độ 300 K được xác định bởi các biểuthức [7]ωT O,InAs = 229 − 22x + 9x2 ,(3)ωT O,AlAs = 361.5 − 24x − 9.5x2 ,(4)ωLO,InAs = 229 + 22x − 13x2 ,(5)ωLO,Al ...